Magnetismo y momento magnético
Todas las cosas del mundo tienen magnetismo, desde las mesas y sillas que nos rodean hasta los planetas y el sol en el universo. No importa en qué estado se encuentren (cristalino, amorfo, líquido o gaseoso), alta o baja temperatura, alta o baja presión, todas tienen magnetismo. La diferencia es que algunas sustancias tienen un magnetismo fuerte, mientras que otras tienen un magnetismo débil. Sin embargo, se puede decir que las sustancias sin magnetismo no existen. Las sustancias se pueden clasificar en cinco categorías según sus características en un campo magnético externo: sustancias paramagnéticas, sustancias diamagnéticas, sustancias ferromagnéticas, sustancias ferromagnéticas y sustancias antiferromagnéticas. ¿Qué hace que todas las sustancias tengan magnetismo? ¿Cuáles son las razones por las que diferentes sustancias tienen las diferentes características anteriores? Esto comienza con la base de la materia: los átomos. La materia está compuesta de átomos, y los átomos están compuestos de núcleos atómicos y electrones. En los átomos, los electrones tienen momentos magnéticos orbitales debido a su movimiento alrededor del núcleo atómico; Los electrones tienen momentos magnéticos de espín debido a su espín, y los momentos magnéticos de los átomos provienen principalmente de los momentos magnéticos orbitales y de espín de los electrones, que son la fuente de todo el magnetismo material. El momento magnético de un núcleo atómico es solo 1/1836,5 del de un electrón, por lo que el momento magnético de un núcleo atómico generalmente se ignora.
Momento magnético de un solo átomo aislado
El momento magnético es un vector direccional. El modo de giro de los electrones en los átomos se puede dividir en dos tipos: hacia arriba y hacia abajo. En la mayoría de las sustancias, hay tantos electrones con giro hacia arriba como hacia abajo, y los momentos magnéticos que producen se anulan entre sí. El átomo entero no tiene magnetismo hacia el mundo exterior. Solo unos pocos átomos de sustancias tienen diferentes cantidades de electrones en diferentes direcciones de giro. Por lo tanto, después de que los momentos magnéticos de los electrones con giros opuestos se anulen entre sí, todavía hay algunos electrones cuyos momentos magnéticos de giro se anulan, y el átomo entero tiene un momento magnético total. El momento magnético de un solo átomo depende de su estructura atómica, es decir, la disposición y el número de electrones. Todos los átomos de los elementos de la tabla periódica tienen sus propios momentos magnéticos. El momento magnético de los átomos en un cristal que discutimos anteriormente es el momento magnético de un solo átomo, pero en cristales sólidos o no cristales, los átomos están ubicados en nodos cristalinos y se ven afectados por el campo eléctrico nuclear y el campo electrostático de electrones de los átomos vecinos. Por lo tanto, el momento magnético de los átomos en un cristal es diferente al de un solo átomo aislado. Por ejemplo, el hierro, el cobalto y el níquel se conocen como metales de transición 3D. En un cristal, los electrones de algunos átomos se convierten en electrones públicos de átomos adyacentes, lo que provoca un cambio en la estructura electrónica de los átomos. Algunos momentos magnéticos orbitales se congelan, dejando solo el momento magnético de espín que contribuye al momento magnético atómico en el cristal. Como resultado, el momento magnético de los átomos en el cristal se desvía del valor teórico. Ya sabemos por el contenido anterior que todas las cosas en el universo tienen magnetismo, y el magnetismo se origina principalmente a partir del magnetismo atómico. Debido a los diferentes momentos magnéticos de los diferentes átomos, se produce la interacción entre los momentos magnéticos atómicos en sustancias macroscópicas. La disposición de los momentos magnéticos atómicos a temperatura ambiente es diferente. Dividimos las sustancias macroscópicas en sustancias paramagnéticas, sustancias diamagnéticas, sustancias ferromagnéticas, sustancias subferromagnéticas y sustancias antiferromagnéticas según sus propiedades magnéticas, incluidas las siguientes tres características. 1. El magnetismo macroscópico de una sustancia es aportado por los momentos magnéticos de sus átomos o moléculas constituyentes. Nos referimos al momento magnético total de un material por unidad de volumen como su magnetización, denotada por M y medida en A/m. Si el volumen de una sustancia es V, tiene n átomos y el momento magnético de cada átomo es μ J, entonces M=μ J1+μ J2+...+μ Jn, es decir, M=∑ μ J/v. 2. La curva de magnetización (curva M~H) de intensidad de magnetización: Cuando el campo magnético externo es cero, los momentos magnéticos atómicos pueden estar dispuestos aleatoriamente. Sin embargo, cuando aplicamos un campo magnético externo distinto de cero, cada momento magnético atómico puede girar en la dirección del campo magnético externo,y la intensidad de magnetización M de la sustancia cambia. La curva de relación entre la intensidad de magnetización M y el campo magnético externo H se denomina curva de magnetización, abreviada como curva de magnetización M~H. Las curvas de magnetización de diferentes sustancias también son diferentes.
3. Susceptibilidad magnética x2
En la curva de magnetización M~H, la relación entre M y H en cualquier punto se denomina susceptibilidad magnética, representada por chi. χ=M/H , La unidad de M es A/m, La unidad de H también es A/m, por lo que es susceptibilidad magnética relativa y no tiene unidad. Usamos el tamaño y la disposición de los momentos magnéticos atómicos, la forma de la curva de magnetización M~H y parámetros como la susceptibilidad magnética para describir el magnetismo de las sustancias y clasificarlas.
Las sustancias paramagnéticas son sustancias que pueden magnetizarse según la dirección del campo magnético cuando se acercan a él, pero son muy débiles y solo se pueden medir con instrumentos de precisión; si se elimina el campo magnético externo, el campo magnético interno también volverá a cero, lo que provocará su falta de magnetismo. Como el aluminio, el oxígeno, etc. Cada átomo de los materiales paramagnéticos tiene un momento magnético, lo que confiere a los materiales paramagnéticos un momento magnético atómico inherente; no hay interacción entre átomos adyacentes en los materiales paramagnéticos, por lo que a temperatura ambiente, los momentos magnéticos atómicos están dispuestos aleatoriamente y el valor de proyección del momento magnético atómico μJ en cualquier dirección es cero. Cuando se somete a un campo magnético externo H, el momento magnético atómico de dichas sustancias solo puede girar un ángulo muy pequeño a lo largo de la dirección del campo magnético externo, y su fuerza de magnetización aumenta lentamente con el aumento del campo magnético externo. Su susceptibilidad magnética es mayor que 0, con un valor que generalmente varía de 10-5 a 10-3. Para alinear completamente los momentos magnéticos atómicos de las sustancias paramagnéticas en la dirección del campo magnético externo, se estima que se requiere una intensidad de campo magnético externo de 109-1010 A/m, lo que actualmente es difícil de lograr con campos magnéticos artificiales. Las sustancias antimagnéticas son sustancias con susceptibilidad magnética negativa, lo que significa que la dirección del campo magnético después de la magnetización es opuesta a la dirección del campo magnético externo. Todos los compuestos orgánicos tienen diamagnetismo, como el grafito, el plomo, el agua, etc. La proyección del momento magnético orbital atómico y el momento magnético de espín de las sustancias diamagnéticas en un campo magnético es cero, lo que significa que las sustancias diamagnéticas no tienen un momento magnético atómico neto. Sin embargo, bajo la acción de un campo magnético externo, el orbital electrónico generará un momento magnético adicional inducido, y este momento magnético inducido es opuesto en dirección al campo magnético externo, lo que resulta en magnetismo negativo. La dirección de magnetización de las sustancias diamagnéticas es negativa, opuesta al campo magnético externo, y su valor absoluto aumenta linealmente con el aumento del campo magnético externo. Una sustancia ferromagnética es una sustancia que puede mantener su estado magnético incluso cuando el campo magnético externo desaparece después de ser magnetizada por un campo magnético externo. Hasta ahora, hay 83 elementos metálicos descubiertos, de los cuales 4 son elementos ferromagnéticos por encima de la temperatura ambiente, a saber, hierro, cobalto, níquel y gadolinio; a temperaturas extremadamente bajas, hay cinco elementos que pueden transformarse en elementos ferromagnéticos, a saber, terbio, disprosio, holmio, erbio y tulio. En los materiales ferromagnéticos, los átomos tienen momentos magnéticos atómicos inherentes y algunos electrones se comparten.Los momentos magnéticos de espín de los átomos adyacentes están dispuestos en paralelo entre sí en la misma dirección (también conocido como magnetización espontánea). La curva de magnetización M~H de los materiales ferromagnéticos no es lineal y la susceptibilidad magnética x varía con el campo magnético. La susceptibilidad magnética x de los materiales ferromagnéticos es muy grande y alcanza hasta 105~107. Sustancia antiferromagnética
No genera un campo magnético y esta sustancia es relativamente poco común. Todavía se están descubriendo nuevas sustancias antiferromagnéticas. La mayoría de los materiales antiferromagnéticos solo existen a bajas temperaturas y, suponiendo que la temperatura supere un cierto valor, generalmente se vuelven paramagnéticos. Por ejemplo, el cromo, el manganeso, etc., todos tienen propiedades antiferromagnéticas. Los átomos en materiales antiferromagnéticos también tienen momentos magnéticos atómicos inherentes, con algunos electrones compartidos, pero los átomos adyacentes tienen momentos magnéticos opuestos (también conocido como ordenamiento antiferromagnético). La curva de magnetización M ~ H de los materiales ferromagnéticos es lineal, con una tasa de magnetización de χ>0 y un valor de aproximadamente 10-4 ~ 10-5, que es muy pequeño y constante. Esto significa que cuando los materiales antiferromagnéticos se magnetizan en un campo magnético externo, su momento magnético atómico cambia muy poco con el campo magnético externo, similar a los materiales paramagnéticos, y pertenece al magnetismo débil. La susceptibilidad magnética de los materiales antiferromagnéticos varía con la temperatura, como se muestra en la figura siguiente, donde Tn se denomina temperatura de Niel. El magnetismo macroscópico de los materiales ferromagnéticos es el mismo que el del ferromagnetismo, excepto que su susceptibilidad magnética es menor (con una susceptibilidad de 102~105). Los materiales ferromagnéticos típicos, como las ferritas, difieren más significativamente de los materiales ferromagnéticos en su estructura magnética interna (disposición de los momentos magnéticos). Los momentos magnéticos atómicos de los materiales ferromagnéticos no son cero, y existe un intercambio indirecto o intercambio RKKY entre los momentos magnéticos atómicos adyacentes, lo que hace que los momentos magnéticos atómicos de las subredes adyacentes se dispongan en paralelo inverso, pero los momentos magnéticos atómicos de las subredes adyacentes son de diferentes tamaños (como se muestra en la figura anterior). Este fenómeno también se conoce como ordenamiento ferromagnético o magnetización espontánea ferromagnética. La curva de magnetización M~H de los materiales ferromagnéticos no es lineal, similar a la de los materiales ferromagnéticos, excepto por una susceptibilidad magnética ligeramente menor, pero aún pertenece al magnetismo fuerte.